noirlab2401es — Comunicado científico

Estudio realizado en Cerro Tololo entrega información crucial sobre la aceleración del Universo

Se trata de la publicación de la muestra de supernovas más grande, profunda y uniforme lograda por un solo telescopio hasta ahora

8 Enero 2024

Gracias a la Cámara de Energía Oscura fabricada por el Departamento de Energía de EE.UU., y que se encuentra montada en el telescopio de 4 metros Víctor M. Blanco en Cerro Tololo, fue posible obtener la muestra más grande de supernovas utilizando un solo telescopio. Mediante el análisis de más de 1.500 supernovas distantes, un equipo de astrónomos encontró indicios de que la densidad de la energía oscura puede variar con el tiempo.

En el año 1998 dos equipos de astrofísicos utilizaron los telescopios de Cerro Tololo (CTIO) y del Observatorio Nacional Kitt Peak, ambos programas de NOIRLab de NSF, y descubrieron que el Universo se está expandiendo a una velocidad acelerada. Este fenómeno se le atribuye a una misteriosas entidad llamada energía oscura que compone cerca del 70% de nuestro Universo. Tal descubrimiento sorprendió a los astrofísicos, quienes en ese tiempo pensaban que la expansión del Universo se estaba ralentizando.

Este revolucionario descubrimiento fue posible con observaciones de un tipo especial de estrellas en explosión, llamadas supernovas tipo Ia (que se leen como “tipo uno-A”) [1], y fue reconocido con el Premio Nobel de Física en 2011.

Actualmente, 25 años después del descubrimiento inicial, los científicos que trabajan en el Estudio de Energía Oscura (DES) publicaron los resultados de un análisis sin precedentes utilizando la misma técnica para investigar los misterios de la energía oscura, y colocando las mayores limitaciones a la historia de la expansión del Universo que se hayan obtenido. En una presentación en la 243 reunión de la Sociedad Americana de Astronomía el 8 de enero de 2024, y en un artículo científico enviado al Astrophysical Journal, un grupo de astrofísicos dieron a conocer los resultados que son consistentes con los actuales modelos cosmológicos estándar del Universo con una expansión acelerada. Sin embargo, los descubrimientos no son lo suficientemente definitivos como para descartar un posible modelo más complejo.

El estudio DES es una colaboración internacional que incluye a más de 400 científicos de más de 25 instituciones y es liderada por el Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi del Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE). DES utiliza la Cámara de Energía Oscura, una cámara digital de 570 megapíxeles construida por Fermilab y financiada por la Oficina de Ciencias de DOE, junto a contribuciones significativas de los socios de NSF y DES. La cámara está instalada en el Telescopio Víctor M. Blanco en CTIO, Chile. Luego de obtener datos de 758 noches a lo largo de seis años, los científicos de DES lograron mapear un área de un octavo de todo el cielo nocturno.

En medio de las observaciones de cerca de dos millones de galaxias distantes, el equipo DES encontró varios miles de supernovas, convirtiéndose en la muestra más grande y profunda de supernovas realizada por un solo telescopio [2]. Luego, los investigadores de DES utilizaron técnicas avanzadas de aprendizaje automático (machine-learning) para ayudar en la clasificación de supernovas y refinar la muestra en un conjunto de datos uniforme y de alta calidad de 1.499 supernovas probablemente de tipo Ia, triplicando de ese modo el número de supernovas de este tipo observadas más allá del corrimiento al rojo de 0,2; y quintuplicando el número más allá de un corrimiento al rojo de 0,5 [3]. Al respecto, la profesora de la Universidad de Queensland en Australia y co-coordinadora del Grupo de Trabajo de Supernovas DES, Tamara Davis, indicó que “es realmente una enorme diferencia con respecto a 25 años atrás, cuando sólo se utilizaron 52 supernovas para inferir la energía oscura”.

Esta enorme muestra de supernovas, que abarca un gran rango de distancias, puede ser usado para trazar la historia de la expansión cósmica. Para cada supernova, los científicos de DES combinan su distancia con la medida de su corrimiento al rojo —es decir, cuán rápido se está alejando de la Tierra como resultado de la expansión del Universo. Estos dos factores unidos pueden indicar si la densidad de energía oscura se ha mantenido constante o ha variado en el tiempo.

“A medida que el Universo se expande, la densidad de la materia disminuye”, precisó el director y vocero de DES, Rich Kron, quien es además científico de Fermilab y de la Universidad de Chicago. “Pero si la densidad de energía oscura es constante, eso significa que la proporción total de energía oscura debe estar incrementándose a medida que aumenta el volumen”, precisó.

El modelo cosmológico estándar se conoce como ΛCDM, o ‘Materia oscura fría lambda’. Este modelo matemático describe cómo el Universo evoluciona utilizando sólo algunas características tales como la densidad de materia, el tipo de materia y el comportamiento de la energía oscura. Si bien el modelo ΛCDM asume que la densidad de la energía oscura es constante en el Universo a lo largo del tiempo cósmico, y que no se diluye a medida que el Universo se expande, el Estudio de Supernova de DES sugiere que esto puede no ser verdadero.

Los resultados se consiguieron combinando los datos de DES con datos complementarios del telescopio Planck de la Agencia Espacial Europea. Un resultado intrigante de este estudio es que por primera vez se midieron supernovas lo suficientemente distantes como para realizar una medición detallada de la fase de desaceleración del Universo, y para ver dónde el Universo pasó de desaceleración a una fase de aceleración. Y si bien los resultados son consistentes con una densidad constante de energía oscura en el Universo, también sugieren que es posible que la energía oscura esté variando, como sugiere Davis: “Hay indicios tentadores de que la energía oscura cambia con el tiempo. Encontramos que el modelo más simple de energía oscura —ΛCDM— no es el que mejor se adapta. No está tan lejos como para descartarlo, pero en la búsqueda por comprender qué es lo que está acelerando la expansión del Universo, esta es una pieza intrigante del rompecabezas. Por tanto, una explicación más compleja podría ser necesaria”, detalló.

Las innovadoras técnicas en las que DES fue pionero darán forma y van a impulsar aún más los futuros análisis astrofísicos. Proyectos como la próxima Investigación del Espacio-Tiempo como Legado para la Posteridad (LSST), que será realizado por el Observatorio Vera C. Rubin, que es operado en forma conjunta por NOIRLab de NSF y el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC de DOE, así como el Telescopio Espacial Nancy Grace Roman de la NASA, continuarán el trabajo desde el punto donde DES lo dejó.“Somos pioneros en técnicas que beneficiarán directamente a la próxima generación de estudios de supernovas”, señaló Kron.

"Este resultado muestra claramente el valor de los proyectos de estudios astronómicos que continúan produciendo ciencia de excelente calidad mucho después de que finaliza la recopilación de los datos”, indicó Nigel Sharp, director programático en la División de Ciencias Astronómicas de NSF. "Necesitamos tantos enfoques diversos como sea posible para comprender qué es la energía oscura y qué no es. Este es un camino importante hacia esa comprensión".

Por su parte el Científico de Instrumentos DECam de NOIRLab, Alistair Walker, agregó que “varios elementos se unieron para hacer posible este importante avance en nuestra comprensión de la energía oscura —los prístinos cielos de Chile, el gran Telescopio Blanco equipado con la maravillosamente bien fabricada DECam, e intensos esfuerzos de calibración de datos que consiguieron niveles sin precedentes de mediciones precisas y una década de esfuerzos de análisis realizados por un muy talentoso grupo de científicos”.

Notas

[1] Está técnica requiere datos de supernovas de tipo Ia, que ocurren cuando una estrella muerta extremadamente densa, conocida como enana blanca, alcanza una masa crítica y explota. Esa masa crítica es casi la misma para todas las enanas blancas, por lo que todas las supernovas tipo Ia tienen aproximadamente el mismo brillo. Al comparar el brillo aparente de dos supernovas de tipo Ia vistas desde la Tierra, los astrónomos pueden determinar sus distancias relativas a nosotros.

[2] El conjunto de datos Union3 publicado recientemente por Rubin et al. (2023), analiza 2.087 supernovas de diferentes telescopios; todos los datos del Estudio DES survey fueron obtenidos utilizando el mismo telescopio, lo que hizo que la muestra fuera más uniforme y altamente precisa.

[3] El corrimiento al rojo de un objeto indica a los astrónomos qué tan rápido se está alejando de la Tierra como resultado de la expansión del Universo.

Más Información

Esta investigación se encuentra en un artículo científico presentado al Astrophysical Journal con el título, "The Dark Energy Survey: Cosmology Results With ~1500 New High-redshift Type Ia Supernovae Using The Full 5-year Dataset”

Estos resultados son presentados por el Grupo de Trabajo DES Supernova y la Colaboración DES.

NOIRLab de NSF (Laboratorio Nacional de Investigación en Astronomía Óptica-Infrarroja de NSF), el centro de EE. UU. para la astronomía óptica-infrarroja en tierra, opera el Observatorio internacional Gemini (una instalación de NSF, NRC–Canada, ANID–Chile, MCTIC–Brasil, MINCyT–Argentina y KASI – República de Corea), el Observatorio Nacional de Kitt Peak (KPNO), el Observatorio Interamericano Cerro Tololo (CTIO), el Centro de Datos para la Comunidad Científica (CSDC) y el Observatorio Vera C. Rubin (operado en cooperación con el National Accelerator Laboratory (SLAC) del Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE). Está administrado por la Asociación de Universidades para la Investigación en Astronomía (AURA) en virtud de un acuerdo de cooperación con NSF y tiene su sede en Tucson, Arizona. La comunidad astronómica tiene el honor de tener la oportunidad de realizar investigaciones astronómicas en Iolkam Du’ag (Kitt Peak) en Arizona, en Maunakea, en Hawai‘i, y en Cerro Tololo y Cerro Pachón en Chile. Reconocemos y apreciamos el importante rol cultural y la veneración que estos sitios tienen para la Nación Tohono O’odham, para la comunidad nativa de Hawai‘i y para las comunidades locales en Chile, respectivamente.

El financiamiento para los Proyectos DES ha sido proporcionada por el Departamento de Energía de los EE.UU., la Fundación nacional de Ciencias de EE.UU., el Ministerio de Ciencia y Educación de España, el consejo de Financiamiento de la Educación Superior de Inglaterra, el Centro Nacional de Aplicaciones de Supercomputación de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, el instituto Kavli de Física Cosmológica de la Universidad de Chicago, la Autoridad de Financiamiento para Proyectos y Financiamientos en Brasil, Fundación Carlos Chagas Filho para el Apoyo de Investigación del Estado de Río de Janeiro, el Consejo Nacional de Brasil para el Desarrollo Científico y Tecnológico y el Ministerio de Ciencia y Tecnología, la Fundación Alemana de Investigación y las instituciones colaboradoras en el Estudio de Energía Oscura.

Basado en parte en datos adquiridos en el Telescopio Anglo-Australiano Telescope para el Estudio de la Energía Oscura por OzDES. Reconocemos a los custodios tradicionales de la tierra en la que se encuentra la AAT, el pueblo Gamilaraay, y presentamos nuestros respetos a los ancianos del pasado y del presente.

Fermilab es el principal laboratorio nacional de física de partículas e investigación de aceleradores de Estados Unidos. Fermilab, un laboratorio de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de Estados Unidos, está ubicado cerca de Chicago, Illinois, y es operado bajo contrato por Fermi Research Alliance LLC. Visite el sitio web de Fermilab en www.fnal.gov y síganos en Twitter en @Fermilab.

La Oficina de Ciencias de DOE es el mayor patrocinador de la investigación básica en ciencias físicas en los Estados Unidos y está trabajando para abordar algunos de los desafíos más apremiantes de nuestro tiempo. Para obtener mayor información visite science.energy.gov.